三維激光掃描儀在鞍山市大孤山鐵礦動態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用研究

金忠誠

摘 要：為了達到礦產(chǎn)資源開采達到合理化與可持續(xù)化發(fā)展，礦山企業(yè)定期要對采礦場資源儲量進行核實，目的是調(diào)查礦山開采現(xiàn)狀，估算礦山保有資源量，為下一步開發(fā)提供地質(zhì)依據(jù)。對于鐵礦石的資源儲量，一般采用免棱鏡全站儀進行測量評估。但因地形復(fù)雜，測量人員使用全站儀觀測常有觀測死角，此外人為因素的測量誤差也難以避免。而三維激光掃描技術(shù)克服了這些缺點，為儲量監(jiān)測提供了快捷的途徑。本文利用三維激光掃描儀對鞍山市大孤山鐵礦場進行了測量，分析探討了三維激光掃描技術(shù)在礦山動態(tài)儲量監(jiān)測中的實用性和適用性。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描；礦山；動態(tài)監(jiān)測；數(shù)據(jù)庫

1 概述

礦山動態(tài)監(jiān)測是指應(yīng)用多種技術(shù)手段、多個時段和多源數(shù)據(jù)對礦山一個開始周期時間內(nèi)礦山空間變化進行的監(jiān)視與探測。是按統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)定、標(biāo)準(zhǔn)、要求定期對礦山開采單位開采的礦產(chǎn)資源進行監(jiān)測、檢查管理，準(zhǔn)確的核實該礦山礦產(chǎn)資源儲量，了解礦山企業(yè)礦產(chǎn)資源儲量變化情況原因，有效保護與合理利用礦山礦產(chǎn)資源。

目前礦山動態(tài)監(jiān)測采用的是傳統(tǒng)的測量方法，即利用GPS配合免棱鏡全站儀，這些方法在井下或塌陷區(qū)等特殊地形下測量的時候存在一定的難度。而三維激光掃描儀不但可以采用非常高的分辨率進行數(shù)據(jù)采集，而且能獲得三維數(shù)據(jù)，因此很容易生成較其它常規(guī)測量方法更為準(zhǔn)確的數(shù)字高程模型。它比傳統(tǒng)的GPS+免棱鏡全站儀的測量作業(yè)方式，作業(yè)效率更高，優(yōu)勢非常明顯，外業(yè)人員的作業(yè)強度也大大降低，安全性也得到保障。

三維激光掃描儀所采用的三維激光掃描技術(shù)又被稱為實景復(fù)制技術(shù)，是測繪領(lǐng)域繼GPS技術(shù)之后的一次技術(shù)革命。它突破了傳統(tǒng)的單點測量方法，利用激光測距的原理，通過記錄被測礦山坡體表面大量的密集的點的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息，可快速復(fù)建出被測目標(biāo)的三維模型及線、面、體等各種圖件數(shù)據(jù)，具有高效率、高精度的獨特優(yōu)勢。該技術(shù)能夠提供掃描礦山坡體表面的三維點云數(shù)據(jù)可以密集地大量獲取目標(biāo)對象的數(shù)據(jù)點，因此可以用于獲取高精度高分辨率的數(shù)字地形模型，相對于傳統(tǒng)的單點測量，三維激光掃描技術(shù)也被稱為從單點測量進化到面測量的革命性技術(shù)突破。三維激光掃描儀包括地面三維激光掃描儀、數(shù)碼相機、后處理軟件、電源及附屬設(shè)備，通過非接觸式高速激光測量方式獲取地形或復(fù)雜礦山坡體的幾何圖形數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)。

2 三維激光掃描儀在大孤山鐵礦動態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用

在該項目中我公司采用Z+F IMAGER5010C三維激光掃描儀。該儀器掃描視角320°×360°，掃描速率為101.6萬點/秒，最高分辨率0.1mm，精度為0.2mm。在外業(yè)工作中首先用三維激光掃描儀對大孤山III號礦體山坡體進行掃描，每次觀測按地形需要架設(shè)5-10站不等，每次架設(shè)均采用已知點后視定向觀測，每站測量12分鐘，平均采集碎部點550萬個，采集到的礦山坡體表面各部分的空間位置信息是以GPS控制點為基準(zhǔn)的。由激光脈沖從發(fā)出到被測物表面返回儀器所經(jīng)過的時間可以獲得被測目標(biāo)體到掃描中心的距離，同時掃描控制模塊控制和測量每個激光脈沖的水平掃描角α和豎向掃描角β，后處理軟件自動解算得出被測點的相對三維坐標(biāo)，進而轉(zhuǎn)換成絕對坐標(biāo)系中的三維空間位置坐標(biāo)或三維模型。最后通過后處理軟件對采集的點云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)進行處理，并轉(zhuǎn)換成絕對坐標(biāo)系中的空間位置坐標(biāo)或模型，且以多種不同的格式輸出，從而滿足空間信息數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)源和不同應(yīng)用的需要。

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理主要包括兩大部分：點云數(shù)據(jù)處理（導(dǎo)入、去噪、拼接、拼接精度檢核、抽稀、輸出），輸出數(shù)據(jù)去噪、線劃提取、圖符編輯、制圖輸出。首先點云數(shù)據(jù)的處理采用Z+F Laser Control軟件進行，對采集的單站點云數(shù)據(jù)進行預(yù)處理去噪，根據(jù)點云數(shù)據(jù)生成公共面片，使用軟件的拼接功能將相聯(lián)系的測站區(qū)域進行拼接，軟件自動進行精度檢查，保證兩站間的拼接精度控制在1mm以內(nèi)，從而完成兩站的數(shù)據(jù)拼接。依次進行，得到完成的實景三維點云數(shù)據(jù)。對點云數(shù)據(jù)進行去植被操作，最終得到測區(qū)點云數(shù)據(jù)；其次生成地形圖，進行線劃提取和抽稀輸出，將提取的線劃圖導(dǎo)入CASS 9.0軟件進行圖符編輯，得到最后的礦山現(xiàn)狀圖和礦山坡體標(biāo)高圖。

通過點云數(shù)據(jù)生成的DEM和DTM數(shù)據(jù)，可以進行礦山的采挖測量，在礦山開采前，通過獲取的DEM和DTM數(shù)據(jù)實現(xiàn)植被占用面積和土石方量的計算，最方便的是能實現(xiàn)直觀的礦量計算，在礦山開采過程中，能夠精確的獲取采空區(qū)的空間信息，同時為安全生產(chǎn)通過技術(shù)依據(jù)。通過對比2個不同時期的數(shù)據(jù)分析計算得出大孤山III號礦山開采礦體及礦山實際變化情況。由于三維激光掃描儀架設(shè)的基準(zhǔn)點是GPS加密控制點，采集到的每一個數(shù)據(jù)都避免了人為誤差，使數(shù)據(jù)相比傳統(tǒng)測量手段測得的數(shù)據(jù)更為精準(zhǔn)，計算得到的礦山體積變化量也更為精準(zhǔn)。而且精度指標(biāo)滿足了監(jiān)測精度要求。

3 技術(shù)特點

通過此次項目的比較與傳統(tǒng)測量、攝影測量等測量方式相比較，三維激光掃描技術(shù)有明顯的以下優(yōu)點。

（1）數(shù)據(jù)采用率高。傳統(tǒng)的測繪儀器在礦山動態(tài)測量中很難采集高密度、高分辨率的海量點云數(shù)據(jù)。脈沖激光可以在數(shù)秒內(nèi)采集上千個數(shù)據(jù)點，相位激光掃描儀可以達到上萬個數(shù)據(jù)點，突破了單點模式，可以獲得更多的物體空間信息。

（2）精確度高。精度不但高于攝影測量中的解析點而且精度分析均勻，還可以避免表面近似的誤差。

（3）受外界影響小。通過自身發(fā)射的激光回波信號獲取目標(biāo)的數(shù)據(jù)信息，白天黑天都能夠作業(yè)操作，也不像傳統(tǒng)測量對溫度的要求高。

（4）非接觸式數(shù)據(jù)采集。無需接觸目標(biāo)，也不需要反射棱鏡?？梢詫崿F(xiàn)對危險目標(biāo)和環(huán)境數(shù)據(jù)的采集。

（5）提供等高線、多種縱橫斷面生成方式，可生成任意的斷面線，生成的斷面可以方便地導(dǎo)出到CAD及其他軟件中作進一步加工處理和應(yīng)用。

（6）支持基于點云進行形體建模?并且可以手動任意建?；蛑悄茏詣咏?，能夠精細(xì)再現(xiàn)掃描礦山坡體區(qū)域；另外對所建三維模型進行真彩色配準(zhǔn)，相機彩色圖片可以配準(zhǔn)貼圖到三維模型，內(nèi)業(yè)人員可以有身臨其境的體驗。

4 結(jié)束語

通過本次項目實踐可以看出，三維激光掃描技術(shù)是測繪領(lǐng)域的新技術(shù)，它突破了傳統(tǒng)單點測量的數(shù)據(jù)處理方法，為測繪領(lǐng)域提供了一條新的研究方向，其出現(xiàn)與發(fā)展將使測繪行業(yè)進入新的發(fā)展階段。三維激光掃描測量可以對礦山進行數(shù)據(jù)采集，然后進行測量點云繪制成圖，最后通過軟件實現(xiàn)高效的礦山動態(tài)測量工作。在今后的工作中可以用于井下測量及一些危險性區(qū)域人員不能達到的地方，對塌陷區(qū)、滑坡體、懸崖邊等進行測量，結(jié)果直接顯示為點云數(shù)據(jù)，通過配套的軟件可快速建立結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不規(guī)則物體的三維可視化模型，既省時又省力，這種能力是現(xiàn)行的測量儀器不可比擬的。

在未來的發(fā)展中，礦山動態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域?qū)⒗萌S掃描技術(shù)將礦山數(shù)據(jù)整合為數(shù)字礦山，通過數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)建立全國聯(lián)網(wǎng)模式，可實現(xiàn)全國礦山動態(tài)監(jiān)測的遠程監(jiān)控、智能化管理。以后也將勢必擴展應(yīng)用于變形監(jiān)測、工程測量、地形測量、古建筑和文物保護、斷面和體積測量等領(lǐng)域，對測量行業(yè)起到顛覆性的作用。

參考文獻：

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